[论文解读] Effect of doping by 5$d$ elements on magnetic properties of (Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$B alloys

Å. Edström, Mirosław Werwiński+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2015

Magnetic Properties of Alloys被引用 3

一句话总结

本研究探讨了在(Fe₁₋ₓCoₓ)₂B合金中掺杂Re和W以增强磁各向异性能（MAE）的效果。通过密度泛函理论（DFT）与实验验证相结合，结果表明，2.5 at.% Re掺杂可使MAE相比未掺杂的(Fe₀.₇Co₀.₃)₂B提高50%，使其成为高各向异性永磁体的有前途候选材料。

ABSTRACT

We have explored, computationally and experimentally, the magnetic properties of (Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$B alloys. Calculations provide a good agreement with experiment in terms of the saturation magnetization and the magnetocrystalline anisotropy energy with some difficulty in describing Co$_2$B as discussed further in the text. The material exhibits a uniaxial magnetic anisotropy for a range of cobalt concentrations between $x=0.1$ and $x=0.5$. Using density functional theory based calculations we have explored the effect of substitutional doping the transition metal sublattice by the whole range of 5$d$ transition metals and found that doping by Re or W elements should significantly enhance the magnetocrystalline anisotropy energy. Experimentally, W doping did not succeed in enhancing the magnetic anisotropy due to formation of other phases. On the other hand, doping by Ir and Re was successful and resulted in magnetic anisotropies that are in agreement with theoretical predictions. In particular, doping by 2.5~at.\% of Re on the Fe/Co site shows a magnetocrystalline anisotropy energy which is increased by 50\% compared to its parent (Fe$_{0.7}$Co$_{0.3}$)$_2$B compound, making this system interesting, for example, in the context of permanent magnet replacement materials or in other areas where a large magnetic anisotropy is of importance.

研究动机与目标

• 探讨5d过渡金属掺杂对(Fe₁₋ₓCoₓ)₂B合金磁各向异性的影响。
• 识别能显著增强磁各向异性能（MAE）的掺杂剂，以用于永磁体应用。
• 通过实验合成与表征，验证理论预测的MAE增强效果。
• 理解W掺杂理论预测与实验结果之间存在差异的原因。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算(Fe₁₋ₓCoₓ)₂B中掺杂5d元素后的饱和磁化强度和磁各向异性能（MAE）。
• 系统地将5d过渡金属（如Re、W、Ir等）取代(Fe₁₋ₓCoₓ)₂B结构中的Fe/Co亚晶格位点。
• 将理论预测的MAE与掺杂样品的实验测量结果进行对比。
• 通过实验合成评估Re和Ir掺杂的(Fe₁₋ₓCoₓ)₂B的相稳定性和磁各向异性。
• 分析掺杂引起的结构与磁性响应，重点关注x = 0.1–0.5范围内Co浓度的单轴各向异性。
• 评估DFT计算的MAE与Re和Ir掺杂体系实验测得的各向异性之间的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些5d过渡金属最有效地增强(Fe₁₋ₓCoₓ)₂B合金的磁各向异性能（MAE）？
• RQ2 为何W掺杂在实验中未能增强MAE，尽管理论预测结果有利？
• RQ3 在(Fe₀.₇Co₀.₃)₂B中，Re掺杂可使MAE提升多少？该增强效果是否可在实验中验证？
• RQ4 在(Fe₁₋ₓCoₓ)₂B中，Ir掺杂与Re掺杂在实验测得的MAE增强效果上如何比较？
• RQ5 相形成在多大程度上限制了如W等掺杂剂在增强磁各向异性方面的有效性？

主要发现

• DFT计算预测，Re和W掺杂可显著增强(Fe₁₋ₓCoₓ)₂B合金的磁各向异性能（MAE）。
• 实验中对Re和Ir的掺杂成功提高了磁各向异性，与理论预测一致。
• 尽管理论预测有利，但W掺杂在实验中未能增强MAE，原因在于形成了第二相。
• 在Fe/Co位点掺杂2.5 at.% Re，相比未掺杂的(Fe₀.₇Co₀.₃)₂B，使MAE提高了50%。
• 在(Fe₀.₇Co₀.₃)₂B中掺杂2.5 at.% Re的体系表现出磁各向异性显著增强，使其成为永磁体应用的有力候选。
• 理论与实验在Re和Ir掺杂体系中一致性良好，但在W掺杂体系中不一致，凸显了材料设计中相稳定性的关键作用。